Academic literature on the topic 'Fluxonium'

Electronic systems for qubit control and measurement serve as a bridge between quantum programming language and quantum information processors. With the rapid development of superconducting quantum circuit technology, synchronization in a large-scale system, low-latency execution, and low noise are required for electronic systems. Here, we present a field-programmable gate array (FPGA)-based electronic system with a distributed synchronous clock and trigger architecture. The system supports synchronous control of qubits with jitters of ∼5 ps. We implement a real-time digital signal processing system in the FPGA, enabling precise timing control, arbitrary waveform generation, in-phase and quadrature demodulation for qubit state discrimination, and the generation of real-time qubit-state-dependent trigger signals for feedback/feedforward control. The hardware and firmware low-latency design reduces the feedback/feedforward latency of the electronic system to 125 ns, significantly less than the decoherence times of the qubit. Finally, we demonstrate the functionalities and low-noise performance of this system using a fluxonium quantum processor.

scqubits is an open-source Python package for simulating and analyzing superconducting circuits. It provides convenient routines to obtain energy spectra of common superconducting qubits, such as the transmon, fluxonium, flux, cos(2ϕ) and the 0-π qubit. scqubits also features a number of options for visualizing the computed spectral data, including plots of energy levels as a function of external parameters, display of matrix elements of various operators as well as means to easily plot qubit wavefunctions. Many of these tools are not limited to single qubits, but extend to composite Hilbert spaces consisting of coupled superconducting qubits and harmonic (or weakly anharmonic) modes. The library provides an extensive suite of methods for estimating qubit coherence times due to a variety of commonly considered noise channels. While all functionality of scqubits can be accessed programatically, the package also implements GUI-like widgets that, with a few clicks can help users both create relevant Python objects, as well as explore their properties through various plots. When applicable, the library harnesses the computing power of multiple cores via multiprocessing. scqubits further exposes a direct interface to the Quantum Toolbox in Python (QuTiP) package, allowing the user to efficiently leverage QuTiP's proven capabilities for simulating time evolution.

Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques
Radio-frequency fluxonium superconducting circuit for AC-charge sensing applicationsSuperconducting-circuits are artificial quantum systems whose properties can be engineered to match the requirements of each specific application. A typical superconducting circuit is engineered to have a sufficiently an-harmonic transition to be used as a qubit, which can be easily manipulated and read-out thanks to its strong (dipolar) interaction with electromagnetic fields. The property of having a strong dipole moment is particularly interesting for interfacing a superconducting circuit with other quantum systems. For instance, fluorescence from individual electronic spins was successfully detected using a superconducting qubit-based microwave-photon detector operating in the 5-10 GHz band. In the realm of circuit quantum acousto-dynamics (cQAD), the coupling between a qubit and a piezoelectric resonator is used to detect and manipulate the phononic state, typically within the 2-10 GHz range. However, adapting these sensing schemes to lower frequencies, below the conventional operating frequency of superconducting qubits, introduces distinct challenges. First, superconducting qubits are read out thanks to the dispersive shift imparted to a nearby superconducting resonator. As the dispersive shift quickly drops for a cavity detuning exceeding the qubit anharmonicity, weakly anharmonic qubits, such as transmons, require nearly resonant resonators with dimensions scaling inversely with the frequency (as an illustration, a 1 MHz λ/2-coplanar cavity requires a 100-m-long waveguide). Second, low-frequency systems are coupled to a hot thermal bath with which they exchange photons randomly, quickly turning pure quantum states into statistical mixtures. The fluxonium qubit, composed of a Josephson junction shunted simultaneously by a large inductance and a capacitance, presents unique opportunities in the realm of low-frequency superconducting qubits.In this work, we demonstrate a heavy fluxonium with an unprecedentedly low transition frequency of 1.8 MHz, while maintaining the ability to manipulate and read out the qubit using standard microwave techniques. This is made possible by the highly non-linear energy spectrum of the fluxonium, where the first transition occurs in the MHz range while transitions to higher excited states are within the 3-10 GHz range. We successfully demonstrate resolved sideband cooling of the fluxonium, reducing its effective temperature to 23 μK and achieving a ground state population of 97.7%. Our experiments further reveal the qubit's coherent manipulation capabilities, with coherence times of T1=34 μs and T2*=39 μs, along with reliable single-shot state readout.We furthermore demonstrate the qubit's enhanced sensitivity to radio-frequency fields, achieved through direct interaction with a capacitively coupled waveguide. By employing cyclic preparation and measurement protocols, we transform the fluxonium into a precise frequency-resolved charge sensor, boasting a charge sensitivity of 33 μe/√Hz. This translates to an energy sensitivity of 2.8ℏ per hertz, rivaling state-of-the-art transport-based sensors while remaining inherently resistant to dc-charge noise. The large gate-capacitance of our fluxonium-based charge sensor (~50 fF) is highly beneficial in real-world charge sensing applications, where the sensitivity gets diluted when the self-capacitance of the probed system exceeds that of the sensor. This work paves the way for new experimental investigations into quantum phenomena within the 1-10 MHz range, including the strong-coupling regime with macroscopic mechanical resonators